创新研究群体在微腔光学研究领域取得系列进展

    北大物理学院“飞秒光物理和介观光学”创新研究群体成员肖云峰研究员与龚旗煌院士在微腔量子电动力学研究方面取得突破，研究成果于2014年5月30日发表在物理学领域的顶级刊物《物理评论快报》上【Yong-Chun Liu et al., Coherent Polariton Dynamics in Coupled Highly Dissipative Cavities, Phys. Rev. Lett. 112, 213602 (2014)】。论文第一作者为北京大学物理学院博士研究生刘永椿，合作者包括物理学院2009级本科生李昊坤（现在美国加州大学伯克利分校攻读博士学位），美国哥伦比亚大学Chee Wei Wong等人。
    长期以来，在单量子水平下实现光与物质强耦合相互作用是量子调控的重要目标之一。典型的实验体系是腔量子电动力学系统，强耦合要求偶极子与腔模光场的耦合强度大于系统各种耗散。为了实现强耦合，人们主要关注提高光学微腔的品质因子和减小模式体积。但由于衍射极限及制备工艺的限制，很难在单个微腔中同时实现超高品质因子和极小模式体积。北大“飞秒光物理和介观光学”创新研究群体研究人员及哥伦比亚大学的合作者提出，在耦合腔体系中通过暗态相互作用实现强耦合，可以克服在单个微腔中对超高品质因子和极小模式体积的要求。研究表明：当单个偶极子置于一个高度耗散微腔（具有较小模式体积，但无需超高品质因子），在另一个辅助微腔（具有超高品质因子，但无需极小模式体积）协同作用下，可以实现体系的强耦合相互作用。这为量子操控提供了克服耗散和退相干的重要手段，为单量子水平光与物质相干相互作用的研究提供了新的平台。
    这是“飞秒光物理和介观光学”创新研究群体成员在微腔光子学和量子光学研究方向上取得的最新进展。近期的研究成果还包括：利用腔光力系统中两个极化子模式的共振将光力非线性系数提高两个数量级，并利用该增强的非线性作用制备出光子-声子极化子对，为腔光力系统操控光子和声子提供了新的重要手段【Yong-Chun Liu et al., Phys. Rev. Lett. 111, 083601 (2013)】；通过动态调控微腔光学模式的耗散，从本质上克服了量子反作用的加热效应，使得机械振子的冷却速率更快，且冷却极限降低2-3个数量级，为操纵并利用光力相互作用提供了新的思路【Yong-Chun Liu et al., Phys. Rev. Lett. 110, 153606 (2013)】；结合光学微腔模式的超高品质因子和等离激元的光场高度局域优势，获得新型复合光场模式，使得单原子和单光子的相互作用深入到了更强的耦合极限【Yun-Feng Xiao et al., Physical Review A 85, 031805(R) (2012) (快速通讯，Rapid Communications)，该工作作为复合模式的代表性研究在最近发表的Nature Physics综述文章中被图文重点介绍】。
    上述系列研究工作得到了科技部973计划、国家自然科学基金委、人工微结构和介观物理国家重点实验室及量子物质科学协同创新中心的支持。
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